RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Il consolidamento sostenibile del legno bagnato: nuovi approcci di impregnazione e polimerizzazione a basso impatto ambientale

Università di riferimento

Politecnico di MILANO - FISICA - MILANO(MI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Cosimo D'ANDREA

Descrizione

I principali compiti della UdR Polimi consisteranno nella caratterizzazione ottica (coefficiente di assorbimento e coefficiente di diffusione) non distruttiva di materiale ligneo bagnato e di riferimento mediante tecniche di spettroscopia risolte nel tempo nell'intervallo spettrale del vicino infrarosso. In particolare verrà studiata la correlazione dei parametri ottici misurati con proprietà chimico/fisiche (densità, porosità, umidità, contenuto di acqua) e caratteristiche di conservazione. Infine si procederà alla valutazione, con tecniche ottiche, degli effetti sul materiale ligneo bagnato e di riferimento dei trattamenti impregnanti e di polimerizzazione. Le misure verranno realizzate sia su provini opportunamente trattati, forniti da UdR Pisa, sia su legni bagnati archeologici forniti dalla Soprintendenza Archeologica della Toscana e dall'università di Haifa (Israele).
L'attività sarà suddivisa in tre fasi: Fase 1 – Studio della fisica della propagazione della luce nel materiale ligneo bagnato e di riferimento (mesi 0-12); Fase 2 - Caratterizzazione ottica del materiale ligneo bagnato e di riferimento e correlazioni con altre tecniche diagnostiche (mesi 6-18); Fase 3 - Valutazione della efficacia delle tecniche di impregnazione/polimerizzazione tramite misure ottiche risolte nel tempo del materiale ligneo bagnato (mesi 18-24);

Fase 1: Studio della fisica della propagazione della luce nel materiale ligneo bagnato e di riferimento (mesi 0-12)

In questa prima fase verranno studiate le proprietà ottiche di materiale ligneo bagnato e di riferimento fornito da UdR Pisa mediante l'uso di tecniche di spettroscopia di riflettanza e trasmittanza risolta nel tempo. Per riflettanzatrasmittanza si intende la misura della luce diffusa nel mezzo con i punti di rivelazione posti sullo stessoopposto lato rispetto al punto di iniezione della luce nel campione. La caratterizzazione ottica del materiale ligneo verrà eseguita nell'intervallo spettrale 600-1000 nm, utilizzando una strumentazione unica, sviluppata nei nostri laboratori per spettroscopia di assorbimento e scattering di mezzi altamente diffusivi su un ampio intervallo spettrale. La strumentazione consiste di un laser Ti:Zaffiro operante in regime di Mode-Locking attivo che emette impulsi laser nell'intervallo spettrale 700-1000 nm con una durata temporale inferiore ad alcune decine di ps su tutta la banda spettrale. Per coprire la banda da 600 a 700 nm viene utilizzato un laser a colorante (DCM) pompato in maniera sincrona da un laser ad Argon. La rivelazione consiste di un fotomoltiplicatore a microcanale (superficie S1) che permette la misura su tutto l'intervallo spettrale (600-1100 nm). Il segnale di uscita dal fotomoltiplicatore è inviato ad una catena elettronica per misure a conteggio di singolo fotone correlate nel tempo. Il sistema è completamente automatizzato tramite l'utilizzo di motorini passo-passo, interruttori opto-elettronico e attenuatori variabili controllati via software.
Durante questa fase particolare attenzione sarà dedicata alla ottimizzazione della strumentazione, procedure di acquisizione ed analisi dati. In particolare verrà valutata l'estensione della strumentazione per spettroscopia a lunghezze d'onda al di sotto dei 600 nm ed oltre i 1000 nm. In particolare l'estensione oltre 1000 nm potrebbe essere di interesse nello studio del materiale ligneo bagnato in quanto l'assorbimento dell'acqua presenta un minimo tra i due picchi a 970 e 1200 nm. Tale estensione spettrale verrà realizzata in due modi differenti. Utilizzando specchi, appositamente realizzati per il laser a Ti:Zaffiro, si cercherà di estendere l'azione laser fino a 1100 nm. Utilizzando un differente colorante organico (ad esempio la Rodamina 6G) è possibile avere radiazione laser tra i 540 e 600 nm. La seconda tecnica consiste nell'utilizzo di un laser a Ti:Zaffiro in regime di Mode-Locking passivo che emette impulsi con una durata temporale inferiore ai 100 fs ed una potenza media di circa 500 mW. Il fascio laser verrà focalizzata in una fibra a cristalli fotonici. A seguito di effetti non lineari, dovuta alla elevata energia dell'impulso laser, si ha la generazione di radiazione con lunghezza d'onda nell'intervallo 400-1100 nm.
L'utilizzo di una tale strumentazione da laboratorio ha il vantaggio di permettere una elevata flessibilità in termini di potenza, lunghezza d'onda e durata temporale degli impulsi laser. Verrà eseguita una serie di misure per la valutazione del rapporto segnale-rumore in funzione di parametri quali la lunghezza d'onda, geometria e spessore del campione. In particolare valuteremo gli effetti del degrado chimico e delle alte concentrazioni di acqua nel legno bagnato sui livelli di segnale.
La valutazione delle proprietà ottiche del campione viene effettuata confrontando le curve di riflettanza/trasmittanza risolta in tempo con un modello teorico che fornisce soluzioni analitiche nel caso di mezzi omogenei o numeriche per campioni eterogenei.
In questo progetto tratteremo il campione come un mezzo omogeneo. Questo permette di ricavare informazioni su proprietà ottiche medie del campione. Durante questa fase verrà studiato il modello fisico più appropriato per l'analisi dei materiali lignei bagnati tenendo conto sia della struttura del legno che della sua composizione. In particolare la struttura a fibre, ossia una elevata anisotropia del materiale, richiederà uno studio sulla migliore geometria di misura. Inoltre, l'elevata quantità di acqua, presente nel legno bagnato, porta ad una modifica delle concentrazioni delle componenti del legno e pertanto richiederà una scelta opportuna delle lunghezze d'onda della radiazione incidente.
Inoltre si valuterà l'utilizzo dello spettro di scattering per ricavare informazioni sulla struttura del campione. Supponendo il tessuto composto da particelle omogenee uniformemente distribuite ed applicando la teoria di Mie, l'andamento spettrale del coefficiente di scattering può essere correlato con la dimensione e densità dei centri di scattering.

Fase 2 – Caratterizzazione ottica del materiale ligneo bagnato e di riferimento e correlazioni con altre tecniche diagnostiche (mesi 6-18)

In questa seconda fase verranno eseguite misure dei parametri ottici su diversi tipi di materiale ligneo (abete, castagno e pioppo) forniti da UdR Pisa. Le misure verranno eseguite sia prima che dopo essere stati sottoposti al trattamento di invecchiamento artificiale in camera climatica Solarbox. Inoltre una parte dei campioni saranno tenuti in acqua per alcuni mesi. Infine alcuni di questi campioni saranno sottoposti a tecniche di impregnazione e polimerizzazione.
In questa fase verranno analizzati sia campioni lignei trattati e non trattati e legni bagnati archeologici. Per i legni bagnati ci aspettiamo sia variazioni nel rapporto tra i costituenti (degrado chimico) sia alterazioni di tipo strutturali. Le prime saranno studiate analizzando lo spettro di assorbimento il quale permette, una volta noti gli spettri di assorbimento dei costituenti, di valutare le loro concentrazioni. In particolare cercheremo di valutare il contenuto percentuale di acqua di imbibizione, parametro correlato alla misura della perdita della parte solida del legno. Per quanto concerne le alterazioni di tipo strutturali, queste saranno studiate analizzando lo spettro di scattering che dipende della densità e le dimensioni dei costituenti il materiale. E' importante sottolineare come la presenza contemporanea di alterazioni sia chimiche che strutturali rende la tecnica risolta in tempo fondamentale in quanto permette di discriminare con una singola misura gli spettri di assorbimento e scattering.
Parallelamente alle misure sui campioni lignei verranno eseguite misure su campioni tessuto-equivalente (phantom) solidi calibrati che permettono una taratura del sistema e pertanto una stima del valore assoluto dei parametri ottici del campione in esame. I phantom calibrati sono stati realizzati e caratterizzati in collaborazione con diversi gruppi di ricerca europei e con diverse tecniche nell'ambito del Network tematico della UE MEDPHOT("Optical Methods for Medical Diagnosis and Monitoring of Diseases").
I risultati ottenuti con la spettroscopia ottica risolta nel tempo verranno confrontati con i risultati della caratterizzazione chimico/fisica (NMR, misure cromatografiche, SEM-EDX, porosità e densità) eseguita da UdR Unimib, Pisa, Palermo e Genova.
In questa fase verranno, inoltre, caratterizzati otticamente (spettro di assorbimento e di scattering) i materiali chimici utilizzati per la polimerizzazione. In particolare verranno misurati gli spettri di assorbimento con uno spettrofotometro in continua operante nell'intervallo spettrale 190-2500 nm ed i parametri ottici (assorbimento e diffusione) tramite il sistema di spettroscopia risolto nel tempo.
Questa seconda fase si concluderà con la misura degli spettri di assorbimento e scattering di campioni di materiale ligneo sottoposti a trattamento di impregnazione e polimerizzazione. In particolare si cercherà di correlare le modifiche indotte da tali procedimenti sui parametri ottici del campione in esame ed i risultati saranno correlati con le misure dei parametri chimico/fisici realizzati da tutte le altre unità.
Tali misure saranno il punto di partenza per la valutazione della efficacia della tecnica ottica di spettroscopia risolta in tempo per stabilire il grado di impregnamento e/o polimerizzazione del materiale ligneo bagnato.

Fase 3 – Valutazione della efficacia delle tecniche di impregnazione/polimerizzazione tramite misure ottiche risolte nel tempo del materiale ligneo bagnato (mesi 18-24)

Nella terza fase il sistema di spettroscopia risolto nel tempo verrà utilizzato per la caratterizzazione ottica dei materiali lignei bagnati sottoposti a tecniche di polimerizzazione in situ con monomeri ecocompatibili (UdR Genova e UdR Unimib) e tecniche di impregnazione innovative (UdR Palermo).
In una prima fase verranno misurate le eventuali variazioni delle proprietà ottiche di vari materiali lignei bagnati al variare del protocollo utilizzato per i procedimenti di impregnazione e polimerizzazione. Lo scopo di tali misure è valutare l'efficacia, e la conseguente ottimizzazione, delle tecniche di impregnazione/polimerizzazione tramite misure ottiche risolte nel tempo. I risultati ottenuti con la tecnica ottica verranno confrontati con le misure dei parametri chimico/fisici realizzati da tutte le altre unità al fine di trovare eventuali correlazioni.
Come detto in precedenza l'analisi dei dati verrà effettuata utilizzando un modello valido per campioni omogenei che permette di ricavare le proprietà ottiche medie del campione. Una caratteristica fondamentale della misura risolta nel tempo consiste nel fatto che i fotoni che giungono sulla superficie con un ritardo maggiore hanno una più alta probabilità di aver attraversato regioni più in profondità del campione. Pertanto l'analisi della curva temporale di diffusione permette di valutare la variazione dei parametri ottici al variare della profondità. Questo permetterà di valutare l'efficacia delle tecniche di impregnazione/polimerizzazione alle diverse profondità. La massima profondità raggiungibile dipende dal livello di segnale/rumore presente nella misura, ossia dalle caratteristiche di assorbimento e scattering del campione in esame.
In questa fase verranno analizzati sia campioni lignei di riferimento trattati sia legni bagnati archeologici. Anche in questa fase il confronto con i phantom calibrati sarà utile per la quantificazione dei parametri ottici.